WO2011051040A1 - Ultraschallwandler zum einsatz in einem fluiden medium - Google Patents

Ultraschallwandler zum einsatz in einem fluiden medium Download PDF

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transducer
sealing film
core
deformation
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Roland Mueller
Gerhard Hueftle
Michael Horstbrink
Tobias Lang
Sami Radwan
Bernd Kuenzl
Roland Wanja
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention is based on known ultrasonic transducers, which can be used, for example, in ultrasonic flow meters in process engineering and / or in the automotive sector, in particular in the intake tract and / or exhaust tract of internal combustion engines.
  • ultrasonic transducers are provided for measuring the flow of air, but in principle also other fluid media, ie gases and / or liquids can be used. Examples of ultrasonic transducers are mentioned in DE 10 2007 010 500 A1 and the prior art cited therein.
  • the ultrasonic transducers described there can also be modified and / or produced according to the invention in the context of the present invention.
  • Ultrasonic transducers of the type described are in particular provided for measuring the flow of air, for example in order to derive an air quantity signal within a system control of an internal combustion engine.
  • matching layers or matching elements are used in many ultrasonic transducers to improve a sound emission into the fluid medium and / or to record ultrasound from the fluid medium.
  • ultrasound transducers with sound-emitting resonance or matching bodies are known, for example a metal diaphragm and / or a ⁇ / 4 impedance matching view.
  • the sound-emitting surface is usually an integral part of a transducer housing or a flow tube or is connected to these components hard, so that there is usually no sufficient decoupling against structure-borne noise propagation. Should In contrast, the decoupling be improved, therefore, a rather soft mounting material is required. Due to the pressure requirements, however, this fastening and / or decoupling material must be supported on the housing, so that in turn the thermal expansion must have the greatest effect on the movable area of the sound-radiating surface. These compensatory movements make a media-tight converter design difficult.
  • Ultrasonic converters are known from the later-published patent applications DE 10 2008 055 126.0 and DE 10 2008 055 1 16.3 from the assignee of the present patent application, in which a damping element, for example a damping casting, is introduced between the housing and a converter core with a piezoelectric transducer element becomes.
  • a damping element for example a damping casting
  • elastomers such as O-rings or silicone moldings
  • these approaches generally do not provide sufficient media resistance for the installation situation, especially in the motor vehicle.
  • silicone may swell and / or bleed under the influence of moisture and / or hydrocarbons, and gaps may form between the silicone and the environment.
  • sealing elements for example in the form of vapor-deposited coatings, for example parylene, or sealing foils are frequently used.
  • the use of sealing films is also described, for example, in DE 10 2008 055 1 16.3.
  • the disadvantage of pure coatings often lies in a low mechanical cohesion of the coating, in particular under shear loads, as they occur in transition zones of different substrate materials.
  • the decoupling material can shift with respect to the impedance matching layer or the converter housing, so that the coating can travel on this side.
  • thermal and mechanical stresses lead in many cases at least to a stretching load on the film, so that it itself or its bonding is heavily stressed.
  • an ultrasonic transducer for use in a fluid medium is proposed, as well as a method for manufacturing an ultrasonic transducer.
  • the proposed ultrasonic transducer can, in particular according to the proposed NEN method can be produced, and the method can be used to produce an ultrasonic transducer according to the invention. Accordingly, for possible embodiments of the method, reference may be made to the description of the various embodiments of the proposed ultrasonic transducer and vice versa. However, other embodiments are possible in principle.
  • the proposed ultrasonic transducer comprises at least one transducer core with at least one acoustic-electrical transducer element.
  • an acoustical-electrical transducer element is fundamentally understood to mean a transducer element which is set up in order to convert acoustic signals, for example ultrasound signals, into electrical signals and vice versa.
  • the acoustic-electrical converter element may comprise at least one piezoelectric transducer element, for example with at least one piezoceramic.
  • the transducer core may comprise further elements, for example at least one matching layer and / or a matching body for the purpose of an at least partial impedance matching between the acoustic-electrical transducer element and the fluid medium.
  • the possible embodiments of such matching elements reference may be made to the above-cited prior art, for example DE 10 2007
  • the matching bodies and / or matching layers and / or matching elements illustrated therein, wherein the term matching body is generally used below for such elements, can also be used in a converter core in the proposed ultrasonic transducer of the present invention.
  • the converter core may in particular have a cylindrical shape, for example a shape of a circular cylinder and / or a cylinder with a polygonal cross section.
  • the proposed ultrasonic transducer comprises at least one housing.
  • it may be a plastic housing and / or a metallic housing. This housing may completely or partially enclose the transducer core.
  • the housing may have a cylindrical shape, with a housing interior, in which the transducer core is accommodated.
  • the housing includes at least one housing opening towards the fluid medium.
  • a radiating surface of the transducer core so a surface through which acoustic signals from the Transducer core can be delivered to the fluid medium or taken out of this, which assigns this opening and / or is disposed within this opening.
  • the at least one housing opening is, in order to shield the housing interior of the ultrasonic transducer against undesired influences of the fluid medium, such as temperature and / or pressure influences and / or media influences, at least partially sealed with at least one sealing foil in communication with the transducer core.
  • the opening is completely closed by the at least one sealing film.
  • the sealing foil can be connected to the transducer core in such a way that a radiating surface of the transducer core rests on this sealing foil over a large area.
  • the radiating surface can be designed in a planar manner and be in contact with the sealing foil, for example connected to it, in particular by means of a cohesive connection such as, for example, a
  • sealing film can also be connected to an edge of the housing, which surrounds the housing opening, for example also be positively connected thereto, in particular adhesively bonded.
  • a sealing film is basically any film to understand, which is at least partially sealed against the fluid medium.
  • a film is generally to be understood as a flexible or deformable element whose lateral dimensions significantly exceed its thickness, for example by at least a factor of 10, preferably by at least a factor of 100 or even by at least a factor of 1000.
  • a film may have a membrane-like design.
  • the sealing film can be configured, for example, as described in DE 10 2008 055 1 16.3. Further embodiments of the sealing film and possible materials are explained in more detail below.
  • the sealing film may in particular comprise a plastic material.
  • one or more of the fol- constricting materials can be used: polyether ether ketone (PEEK), polyphenylene lensulfid (PPS), polyimide (Kapton particular ®), liquid crystal polymer (Liquid Crystal Polymer, LCP), fluorocarbons such as Teflon or Polytetrafluo - rethen (PTFE) or eg perfluoroethylene propylene copolymer (FEP), polyethylene naphtalate (PEN).
  • PEEK polyether ether ketone
  • PPS polyphenylene lensulfid
  • PPS polyimide
  • LCP liquid crystal polymer
  • fluorocarbons such as Teflon or Polytetrafluo - rethen (PTFE) or eg perfluoroethylene propylene copolymer (FEP), polyethylene naphtalate (PEN).
  • PTFE Teflon or Polytetrafluo - rethen
  • FEP perfluoro
  • the sealing film may further include an adhesive layer.
  • the sealing film may in particular have a thickness of not more than 50 ⁇ m, preferably not more than 25 ⁇ m.
  • thermal and mechanical stresses can lead to a Dehnbelastung, which can charge the film itself or its fixation, such as their bonding to the transducer core and / or the housing.
  • the sealing film has at least one strain deformation, wherein the strain deformation is set up to allow a relative movement between the transducer core and the housing.
  • the expansion deformation acts basically analogous to a bellows or may even be at least partially designed as such bellows.
  • the strain deformation may have, for example, a deformation which includes a curvature of the sealing film, for example a curvature from an otherwise substantially planar configuration of the sealing film.
  • expansion deformation can therefore be understood to mean any deformation of the sealing film which is capable of allowing a relative movement between the transducer core and the housing, in particular also in a lateral direction
  • the strain deformation can be designed to accommodate both a compressive load and a tensile load as well as a shear stress parallel to the sealing film and to compensate within certain limits due to their deformation from the general extension plane of the sealing film addition.
  • the strain deformation may include an expansion crease and / or a creasing fold, that is, any crease and / or warp capable of absorbing both a compressive load and a tensile load, as well as a shear load.
  • the strain deformation may in particular comprise at least one of the following deformations: an expansion fold projecting into the fluid medium; an expansion fold projecting into a housing interior of the housing; a bellows; a step-like deformation, wherein the step-like deformation is transferred to a first level of the sealing film in a second plane of the sealing film.
  • the at least one strain deformation can preferably be designed such that it is arranged outside of the transducer core and outside of the housing. For example, between "
  • the housing and the transducer core be formed at least one intermediate space, for example, an annular space.
  • the strain deformation may in particular be at least partially, preferably completely, formed in the region of this intermediate space.
  • the housing may have an edge which encloses the housing opening, wherein a radiating surface, for example a flat radiating surface, is arranged within this edge and is preferably completely enclosed by this edge.
  • the intermediate space can then be formed between the edge and the emitting surface.
  • the sealing film can completely cover, for example, the housing opening, that is to say at least partially the edge, the intermediate space and the emitting surface.
  • the expansion deformation can then be formed, for example in the form of an expansion fold or a bellows in the region of the intermediate space.
  • the sealing film can in particular with the housing, for example a
  • the sealing film can be glued to these elements.
  • another connection with the elements is possible, for example, alternatively or additionally, by a positive and / or non-positive connection.
  • at least one intermediate space can be formed between the housing and the converter core, in particular an annular space.
  • This gap may preferably be at least partially filled by at least one decoupling element, wherein the decoupling element is arranged to attenuate a structure-borne sound transmission between the housing and the transducer core.
  • the decoupling element for example, a material, in particular a deformable material, and / or a material having a suitable filling, for example, a filling by cavities and / or gas bubbles and / or deformable inclusions.
  • a suitable filling for example, a filling by cavities and / or gas bubbles and / or deformable inclusions.
  • materials of a filling of cavities and / or gas bubbles, optionally with an additional filling of other fillers can be used.
  • an elastomeric material or a soft thermoplastic material may be selected for the decoupling element.
  • the decoupling element can likewise be connected to the sealing film, in particular in the area of strain deformation.
  • the strain deformation can be formed in particular when introducing the decoupling element into the intermediate space, for example by an overpressure and / or a negative pressure and / or an elevated temperature of the decoupling element, at least during the introduction.
  • a method for producing an ultrasonic transducer for use in a fluid medium is proposed, in particular an ultrasonic transducer according to one or more of the embodiments described above.
  • at least one transducer core is introduced with at least one acoustic-electrical transducer element in at least one housing.
  • At least one housing opening is at least partially sealed off from the fluid medium with a sealing film in communication with the transducer core.
  • the sealing foil is configured such that it has at least one, wherein the strain deformation is arranged to allow a relative movement between the transducer core and the housing.
  • At least one intermediate space can be formed between the converter core and the housing.
  • This gap can be at least partially filled with at least one decoupling element.
  • the decoupling element is arranged to dampen a structure-borne sound transmission between the housing and the transducer core.
  • the expansion deformation can be formed at least partially during the introduction of the decoupling element into the intermediate space. This can be done for example by a high
  • the strain deformation can also be generated wholly or partly at a different time.
  • the strain deformation can also be caused by a shrinkage of the introduced decoupling element after introduction, for example after pouring and / or injection.
  • shrinkage may occur upon curing and / or crosslinking and / or cooling of the decoupling element and / or an output mass of the decoupling element. This can be done, for example, if silicone is used as the decoupling element.
  • the strain deformation can also be wholly or partly by means of a tool which is used during the introduction of the decoupling element, for example an injection mold.
  • casting tool or other type of casting mold causes, favors or at least supported.
  • This can also be combined with the above-described options of generating the strain deformation by an overpressure and / or a shrinkage of the decoupling element.
  • generation of strain deformation could be assisted by shrinkage through a tool base which does not provide a recess, but an annular ridge formed before and / or during and / or after pouring, curing, or cooling into the interstice between the matching body and transducer housing is pressed.
  • Various other embodiments are possible and can be realized by the person skilled in the art on the basis of this description.
  • a deformable mass for example a starting material for forming the decoupling element (for example a precursor of the decoupling element), in particular at least one flowable mass
  • a deformable mass for example a starting material for forming the decoupling element (for example a precursor of the decoupling element), in particular at least one flowable mass
  • a conventional injection molding process and / or a transfer molding process and / or a conventional casting process can be used for this purpose. This process can also be carried out using an elevated pressure and / or temperature.
  • the decoupling element comprises a silicone, in particular a liquid silicone.
  • a silicone in particular a liquid silicone.
  • Such liquid silicones are low-viscosity and hot-vulcanizing silicones with at least two components, which additively crosslinked. These can, for example, be introduced into the intermediate space in a shaping process, which is also referred to below as the LSR process or LSR process.
  • the components can be supplied to a mixing block, for example, in a multi-component mixing and dosing system, in particular under elevated pressure. For example, a mixture can be made in a ratio of 1: 1. Other additives can also be added.
  • the mixed materials are injected into a heated tool.
  • the feed unit for example the LSR screw unit, can, for example, be set to a low
  • the gap or its walls can also be heated.
  • the gap may additionally be evacuated prior to injecting the reactive material mixture.
  • the LSR process is basically known to the person skilled in the art and can advantageously be used in the context of the present invention in order to produce the decoupling element and, in this production, preferably also to form the strain deformation immediately.
  • the proposed ultrasonic transducer and the proposed method have numerous advantages over known ultrasonic transducers and known methods.
  • the above-described stresses in the sealing film can be effectively avoided.
  • deformed films or membranes in the field of sound transducers are known in principle from the field of speaker technology. There, however, the membrane is usually around around an active radiating surface in the form of a bead pronounced.
  • the proposed ultrasonic transducer is suitable both for air mass detection in the gasoline sector and in the diesel sector, both for passenger cars and for commercial vehicles.
  • the installation position after a charge air cooler is advantageous, but which includes higher pressure and / or media requirements, for example, pressure requirements up to 6 bar, a seal against oil and exhaust gas portions or the like.
  • these requirements can be well met by the ultrasonic transducer according to the invention.
  • the strain deformation can, as shown above, be configured in various ways, without here by the tightness of the sealing film is affected by pressure and / or media.
  • this sealing film may for example be formed deformed, that is, not configured -just configured, for example, according to one or more of the forms shown above.
  • a kind of simplified "bellows" may result, which permits a relative movement of the transducer core relative to the housing, without loading the sealing film and / or its adhesive bond Decoupling to a high degree Media, temperature and / or pressure-loadable
  • a target conflict between this load capacity and an optimal coupling can also be solved in this way.
  • the ultrasonic transducer can be designed in various ways. Advantageously, this can be designed for a frequency range of 100 kHz to 600 kHz and in particular from 200 kHz to 400 kHz, the latter in particular for a flow measurement in the motor vehicle.
  • the ultrasonic transducer may be designed for air or gases as ambient media and / or other types of fluid media.
  • the decoupling material on the back side of the sealing film may be in close contact and / or even adhere, for example by means of a positive connection. This form-fitting connection can already be produced, for example, during the introduction of the decoupling element, for example the output mass for the LSR process, without requiring a separate method step for this purpose.
  • the decoupling element can serve as part of the attachment of the converter core, that is to say, for example, a piezoelectric converter and at least one impedance matching layer, and can be configured to receive and forward compressive forces acting on the foil.
  • the sealing film is preferably not itself the membrane suspension, as in a speaker, but serves only to seal the housing interior.
  • the relative movements to be compensated are not the acoustic oscillations that the ultrasonic transducer or the transducer core itself radiates or receives, since these oscillatory movements only amplitudes in the order of about 1 ⁇ have, but caused by pressure fluctuations movements or thermal expansion of the damping and Decoupling materials with much larger amplitudes, for example, in the order of 100 ⁇ .
  • the proposed ultrasonic transducer can be implemented comparatively easily in technology, for example using the method according to the invention.
  • the strain deformation can already be formed beforehand in the sealing film or can be formed only during the production process.
  • the deformation of the film for example, before the introduction of the
  • Decoupling element for example, a decoupling of the decoupling element, and / or carried out by the introduction of the decoupling element or its material.
  • the latter can be done, for example, as described above, by the LSR process, which could be used simultaneously to press the sealing film directly to a tool contour and thus to deform.
  • An inverse process is also conceivable in which the tool contour supports shrinkage, as described above.
  • the introduction of the decoupling element for example a material of the decoupling element
  • the introduction of the decoupling element for example a material of the decoupling element
  • the introduction of the decoupling element can be combined with a shaping of the sealing foil, for example with the aid of an external tool, in which the housing, the transducer core and the sealing foil are deposited and which has a corresponding contour for the formation of the Has strain deformation.
  • Various configurations are possible.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an inventive ultrasonic transducer in a sectional view
  • Figures 2 and 3 different deformation states of a strain deformation of the embodiment of Figure 1;
  • FIGS. 4 to 12 process steps of a production method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an inventive ultrasonic transducer 110 in a sectional view from the side.
  • the ultrasound transducer comprises an acoustoelectric transducer element 12, for example in the form of a piezoceramic, and a matching body 1 14 arranged on the acoustoelectrical transducer element 12.
  • the fitting body 14 serves to improve the acoustic coupling between the acoustic electrical transducer element 1 12 and a fluid medium, which is denoted symbolically in Figure 1 by the reference numeral 1 16.
  • the matching body 1 for example, at least partially make an impedance adjustment.
  • the matching body 1 14 which may be configured, for example, as a matching layer and acts as a coupling element and softer may also be configured as a multilayer, can be applied to DE 10 2007 010 500 A1 and DE 10 2008 055 1 16.3 and DE 10 2008 055 126.0 referred to, which have already been mentioned above.
  • the matching body 1 14 and the acoustic-electric transducer element 1 12 together form a transducer core 1 18th
  • a housing 120 for example in the form of a sleeve.
  • the housing 120 may, for example, be wholly or partly made of a metallic material or a plastic material.
  • the housing 120 has on its side facing the fluid medium 1 16 a housing opening 122, wherein an edge 124 of the housing 120 surrounds the housing opening 122 annular, for example in the form of a circular ring and / or a polygonal ring.
  • a gap 126 is formed between the housing 120 and the transducer core 1 18, a gap 126 is formed.
  • This gap 126 is partially filled with a decoupling element 128 in the illustrated embodiment.
  • This decoupling element 128 serves to at least dampen a structure-borne sound transmission between the housing 120 and the transducer core 1 18 or vice versa.
  • the housing opening 122 is closed off from the fluid medium 16 by a sealing film 130.
  • this sealing film 130 rests over its entire surface on a radiating surface 132 of the transducer core 1 18 which is here just configured, for example, and is connected to it loosely or via a cohesive connection, for example an adhesive bond. Furthermore, the sealing film 130 is connected to the edge 124 and glued on this, for example, also. Via the emission surface 132, a coupling takes place between the transducer core 1 18 and the fluid medium 16, for example for sound emission and / or for sound recording.
  • the sealing film 130 has a strain deformation 134.
  • This strain deformation 134 can, for example, run around in a ring around the transducer core 1 18 and can thus form a deformation region.
  • the strain deformation 134 can be a relative movement between the wall and enable the housing.
  • the decoupling element 128 configured such that it rests directly on the radiating surface 132 in the region of strain deformation 134 and is preferably connected to this, for example by a material connection, such as gluing.
  • the decoupling element 128 is formed only annular in the embodiment shown in Figure 1, so that above the transducer core 1 18 remains a free space. This free space is filled in the illustrated embodiment with a further damping material 136, for example, a Dämpfungsverguss.
  • the damping material 136 may also be identical to the decoupling element 128 and be mounted either offset in time or simultaneously with the decoupling element 128 in the same process step.
  • the ultrasonic transducer 1 10 in the illustrated example contact pins 138, which are supported by a cover 140 and can be connected via electrical leads 142 to the acoustic-electric transducer element 1 12.
  • a cover 140 which are supported by a cover 140 and can be connected via electrical leads 142 to the acoustic-electric transducer element 1 12.
  • another type of electrical contacting of the electrical-acoustic transducer element 1 12 is conceivable, for example via terminals, contact clip, soldered or welded wires or similar contacting elements.
  • the cover 140 rests on a step 144 in the housing 120, for example.
  • the lid 140 may, for example, as will be explained in more detail below, be fixed by a flange 146 of the housing 120.
  • the acoustic-electric transducer element 1 12 converts electrical signals into acoustic oscillations (transmission mode) or vice versa (reception mode).
  • the acoustic-electrical transducer element 1 12 is connected to the matching body 1 14, which acts as a coupling element, which essentially comprise at least one material for acoustic impedance matching between the fluid medium 16, for example the air, and the acoustic-electric transducer element 12 can.
  • the matching body 1 14 acting as a coupling element or parts of this element can at the same time be replaced by special materials. Rialigenschaften be used to reduce thermally induced tensions between the matching body 1 14 and the acoustic-electric transducer element 1 12, for example, a piezoelectric element.
  • the transducer core 1 18 thus formed is fastened via the decoupling element 128 in the housing 120, which may be designed, for example, as a sleeve and which may have as material, for example, deep-drawn steel. Alternatively, other metals or plastics can be used.
  • the transducer core 1 18 is damped on the back by the damping material 136, which, as described above, can also be completely or partially identical to the decoupling element 128.
  • the ultrasonic transducer 110 is closed at the back by the cover 140, which can be designed, for example, as a cover ring.
  • the cover 140 can also simultaneously fix the contact pins 138, for example two contact pins, for example by clamping or injecting.
  • the lid 140 may, for example by means of a clamp, a Versch robbery, a bayonet closure, a bond or, as shown in Figure 1, the flange 146 may be connected to the housing 120. In general, any frictional, positive and / or material connection methods are possible.
  • the electrical leads 142 make contact with the acoustic-electrical transducer element 12.
  • a front region of the ultrasonic transducer 110 is covered by the sealing film 130, which is preferably glued to the fitting body 14 and the housing 120.
  • the sealing film 130 is preferably glued to the fitting body 14 and the housing 120.
  • polyimide in particular Kapton, PEEK, Teflon or another of the abovementioned polymer materials or a further polymer material or combinations of the abovementioned and / or other polymer materials can be used as the film material for the sealing film 130.
  • Theoretically conceivable would be alternatively or additionally also thin metal foils.
  • the film thickness should preferably be a maximum of about 50 ⁇ m, in particular of the order of magnitude or even significantly less than 25 ⁇ m.
  • the sealing film 150 may, for example, have a substantially flat main region 150, in particular in the region of the emitting surface 132. Ultrasonic radiation is emitted or received via this main region 150. This main area 150 can,Aus , be continued outwards in the form of a mathematical level.
  • the strain deformation 134 As a measure of such a significant deformation, for example, a distance from the plane of the main region 150 in the order of 100 ⁇ or more can be considered. Preferably, therefore, in this example or in other exemplary embodiments, the strain deformation 134 has an order of magnitude of at least 100 ⁇ m.
  • FIG. 18 shows a schematic representation of various courses of the area of the strain deformation 134 of the sealing film 130. These illustrate again what is meant by a significant transformation and how this can be configured.
  • the strain deformation 134 can be designed such that it contains at least one deformation of the order of magnitude of the expected movement due to temperature and / or pressure changes.
  • the surface denoted by A there is increased by the deformation process compared to a planar film such that this surface can remain essentially the same, ie has no or only a slight elongation, if the converter core 1 18 (FIG. not shown in Figure 18) performs a corresponding axial movement, for example, by thermal expansion of materials within the transducer core 1 18 and / or a pressure load.
  • the axial movement is designated B in FIG.
  • the radiating surface 132 of the transducer core 1 18 is in the embodiment in
  • Figure 1 exemplified flat.
  • the surface of the matching body 1 14, for example, the impedance matching layer or the coupling element even configured uneven.
  • this can be provided with one or more phases or configured in the form of a blunt cone.
  • This allows the coupling behavior in the air chamber, for example, in terms of bandwidth, the Radiation characteristic or other criteria are positively influenced.
  • the sealing film 130 has no main planar area. Nevertheless, an additional forming region may be applied as strain deformation 134 in the decoupling region to relieve the sealing film 130 from moving relative to the housing 120 upon movement of the transducer core 1 18.
  • FIGS. 2 and 3 show, in a sectional representation, the strain deformation 134 of the exemplary embodiment according to FIG. 1 in different loading states. If the deformation of the sealing film 130 is pronounced at a certain temperature, for example as shown in FIG. 2, a geometry similar to the representation shown in FIG. 3 will occur at a certain higher backpressure or a certain lower temperature. However, the situation according to FIG. 2 can also be present, while (which will be explained in more detail below) the housing 120 is filled with a damping or decoupling material or while these materials are cured under the effect of temperature.
  • FIG. 4 shows, as a possible starting point within a process sequence, an assembly comprising the housing 120, the sealing film 130 and the matching body 1 14, which acts as a coupling element.
  • This assembly is, as shown in Figure 2, inserted into a tool 152.
  • this tool 152 is a tool for an LSR process.
  • other types of shaping processes can also be used, for example casting processes and / or spraying processes and / or pressing processes in which shaping of at least one starting material takes place in order to produce a decoupling element 128.
  • the tool 152 is indicated only symbolically in FIG.
  • This tool 152 may further include other elements.
  • the tool 152 comprises a first mold part 154, in which in the region of the strain deformation 134 to be produced a negative profile 156 is provided which can define the shape of the later strain deformation 134.
  • this negative profile 156 may have a depression in the indicated region, for example in the form of a groove, for example a groove with a rounded cross section, for example a parabolic or round cross section. Other shapes are possible.
  • the tool 152 may include other moldings, which are not shown in the figures. Furthermore, in the method step shown in FIG.
  • a punch 158 is retracted into the housing interior 148 of the housing 120, wherein optionally the housing 120 can be pressed against the first shaped part 154 at the same time.
  • the punch 158 can be shut down, for example, so that it is sealed by pressure against the matching body 1 14, as shown in Figure 6, and at the periphery opposite the step 144 of the housing 120 and / or another type of bulge of the housing 120 While at the same time the housing 120 is pressed together with the sealing film 130 on the first mold part 154.
  • the punch 158 can thus be part of the tool 152 and act as a further molded part of this tool 152.
  • another embodiment is possible in principle.
  • a deformable mass 162 is then injected into the gap 126 between the matching body 1 14 and the punch 158 and the housing 120.
  • This may be, for example, a precursor, from which, for example by a chemical reaction and / or a physical phase transition, the decoupling element 128 is formed.
  • this deformable mass may be liquid silicone (LSR, liquid silicone rubber).
  • LSR liquid silicone
  • the deformable mass is heated in the tool 152, resulting in a high pressure. For example, at 200 ° C, a pressure of 100 to 200 bar arise. This pressure simultaneously presses the sealing film 130 into the contour of the first molded part 154 in the region of the negative profile 156. In this case, the sealing film 130 is reshaped, and the expansion deformation 134 is formed.
  • the deformable mass can also be provided with additives, for example with fillers or cavities.
  • additives for example with fillers or cavities.
  • an optimal structure-borne sound decoupling and / or an optimal structure-borne sound damping can take place.
  • the properties of the decoupling element 128 can be adjusted.
  • Particularly suitable in this case are silicone foams or admixtures of glass and / or plastic balls and / or hollow balls.
  • the latter, ie plastic balls or hollow plastic balls can be easily thermally deformed and lead to particularly advantageous decoupling properties.
  • a particularly simple way of admixing these balls is the mixing into the resin component of the silicone before
  • the stamp 158 is removed again from the housing interior 148 in a method step shown in FIG.
  • the acoustic-electrical transducer element 12 is inserted. This can be done, for example, as an assembly, as shown in Figure 9.
  • This assembly for example, in addition to the acoustic-electric transducer element 1 12, the contact pins 138 and the electrical leads 142 and the cover 140 include.
  • the acoustic-electric transducer element 12 for example the piezoelectric transducer element, can be inserted in particular by means of suction grippers 164.
  • Transducer element 1 12, for example, with the fitting body 1 14 are materially connected, for example by an adhesive method.
  • Another type of mounting is basically possible, for example, a Kontak- tion of the acoustic-electric transducer element 1 12, after this was inserted into the housing interior 148.
  • the illustrated manner of mounting with already contacted acoustic-electric transducer element 1 12 is preferred.
  • the lid 140, as shown in Figure 1 be fixed, for example by means of the already described above flanging 146 or another type of fixation.
  • the remaining housing interior 148, as shown in Figure 12 are filled with the damping material 136.
  • the finished ultrasonic transducer 1 10 can be removed from the first mold part 154.
  • the negative profile 156 with its contour can predefine the shape of the expansion deformation 134.
  • FIG. 13 shows an example in which the strain deformation 134 has an expansion fold projecting into the fluid medium 16, similar or analogous to the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 14 shows an exemplary embodiment in which an expansion fold protrudes into the intermediate space 126.
  • the exemplary embodiments in FIGS. 15 to 17 show an offset of the emission surface 132 relative to the edge 124. This results in a step-like deformation , wherein the sealing film 130 is transferred in the region of this step-like deformation of the plane of the radiating surface 132 in the plane of the edge 124.
  • the plane of the emission surface 132 is into the interior of the housing 148 in relation to the edge
  • FIG. 16 shows an exemplary embodiment in which the plane of the emission surface 132 is offset toward the fluid medium 1 16 in relation to the edge 124.
  • an expansion fold may still be provided in the region of the intermediate space 126, which in this exemplary embodiment projects into the fluid medium 16 in an exemplary manner.
  • FIG. 17 shows an exemplary embodiment in which only one offset, for example analogous to FIG. 16, takes place, but no further expansion fold is provided in addition to this step-like deformation. The stepped offset alone forms in this case the strain deformation 134.
  • the step-like deformation for example, as shown above, include an offset of the planes in the order of at least 100 ⁇ , preferably more.
  • the contour in the exemplary embodiment according to FIG. 17 will generally change so much during cooling that at room temperature approximately the same geometry as in the exemplary embodiment according to FIG. 3 or FIG. 13 arises which effects an axial movement of the Transducer core 1 18 allows in both directions, without the sealing film 130 is significantly stretched.
  • the embodiments shown above, in particular the embodiment of the method according to the invention in Figures 4 to 12 can be modified in various ways, without departing from the basic idea of the invention.
  • the deformation of the sealing film 130 can also be effected at another time or in another manner, the strain deformation 134 being produced.
  • reshaping of the film 130 to the housing 120 is possible.
  • a vacuum deep-drawing process and / or an autoclave process can be used to produce the strain deformation 134. Deep-drawing can also take place without a vacuum or air pressure, for example with a tenter and / or a mold, for example in the form of a hot stamping process.
  • the forming alternatively or additionally, also take place during or after the gluing.
  • the deformation can also be done after bonding, for example by the LSR process. Furthermore, the deformation can also take place before and during the LSR process or the filling process.
  • the sealing foil 130 can also be used generally as a positioning aid. This can be realized in a particularly simple manner, for example, if, as shown in FIG. 4, a pre-assembly with a centered structure is used which comprises the housing 120, the sealing film 130 and the matching body 14. Thus, it can be ensured that at least the components of this subassembly no longer have to be positioned relative to one another within the already complex filling process, for example the LSR process.

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Abstract

Es wird ein Ultraschallwandler (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium (116) vorgeschlagen. Der Ultraschallwandler (110) umfasst mindestens einen Wandlerkern (118) mit mindestens einem akustisch-elektrischen Wandlerelement (112), insbesondere einem piezoelektrisches Wandlerelement (112). Weiterhin umfasst der Ultraschallwandler (110) mindestens ein Gehäuse (120), wobei mindestens eine Gehäuseöffnung (122) gegenüber dem fluiden Medium (116) mit einer mit dem Wandlerkern (118) in Verbindung stehenden Abdichtfolie (130) zumindest teilweise abgedichtet ist. Die Abdichtfolie (130) weist mindestens eine Dehnungsverformung (134) auf, welche eingerichtet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Wandlerkern (118) und dem Gehäuse (120) zu ermöglichen.

Description

Beschreibung
Titel
Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise in Ultraschall-Durchflussmessern in der Verfahrenstechnik und/oder im Automobilbereich eingesetzt werden können, insbesondere im Ansaugtrakt und/oder Abgastrakt von Verbrennungsmotoren. Insbesondere sind derartige Ultraschallwandler zur Strömungsmessung an Luft vorgesehen, wobei jedoch grundsätzlich auch andere fluide Medien, also Gase und/oder Flüssigkeiten zum Einsatz kommen können. Beispiele von Ultraschallwandlern sind in DE 10 2007 010 500 A1 sowie dem dort zitierten Stand der Technik genannt. Die dort beschriebenen Ult- raschallwandler können grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert und/oder hergestellt werden. Ultraschallwandler der beschriebenen Art sind insbesondere zur Strömungsmessung an Luft vorgesehen, beispielsweise um ein Luftmengen-Signal innerhalb einer Systemsteuerung eines Verbrennungsmotors abzuleiten.
Wie beispielsweise aus DE 10 2007 010 500 A1 bekannt ist, werden in vielen Ultraschallwandlern zur Verbesserung einer Schallabstrahlung in das fluide Medium und/oder einer Aufnahme von Ultraschall aus dem fluiden Medium Anpassschichten oder Anpasskörper eingesetzt. So sind beispielsweise Ultraschall- wandler mit schallabstrahlenden Resonanz- oder Anpasskörpern bekannt, beispielsweise einer Metallmembran und/oder einer λ/4-lmpedanzanpasssicht.
Bei Ultraschallwandlern oder Ultraschallströmungsmessern, die besondere Druckanforderungen zu erfüllen haben, ist die schallabstrahlende Fläche zumeist ein integraler Bestandteil eines Wandlergehäuses oder eines Strömungsrohrs oder ist hart an diese Bauteile angebunden, so dass in der Regel keine ausreichende Entkopplung gegenüber einer Körperschallausbreitung gegeben ist. Soll die Entkopplung demgegenüber verbessert werden, ist daher ein eher weiches Befestigungsmaterial erforderlich. Aufgrund der Druckanforderungen muss sich dieses Befestigungs- und/oder Entkopplungsmaterial jedoch am Gehäuse abstützen, so dass wiederum die thermische Ausdehnung sich am stärksten im be- weglichen Bereich der schallabstrahlenden Fläche auswirken muss. Diese Ausgleichsbewegungen erschweren ein mediendichtes Wandlerdesign.
Aus den nachveröffentlichten Patentanmeldungen DE 10 2008 055 126.0 und DE 10 2008 055 1 16.3 aus dem Hause der Anmelderin der vorliegenden Patentan- meidung sind Ultraschallwandler bekannt, bei welchen zwischen das Gehäuse und einen Wandlerkern mit einem piezoelektrischen Wandlerelement ein Dämpfungselement, beispielsweise ein Dämpfungsverguss, eingebracht wird. Allgemein werden zur Körperschallentkopplung häufig Elastomere, wie beispielsweise O-Ringe oder Silikon-Formteile, eingesetzt. Diese Lösungsansätze bieten für sich allein genommen jedoch in der Regel keine ausreichende Medienresistenz für die Einbausituation, insbesondere im Kraftfahrzeug. So kann Silikon beispielsweise unter dem Einfluss von Feuchte und/oder Kohlenwasserstoffen quellen und/oder ausbluten, und es können sich Spalte zwischen dem Silikon und der Umgebung ausbilden. Zur Abdichtung von Ultraschallwandlern werden daher häufig Abdichtelemente, beispielsweise in Form von aufgedampften Beschich- tungen, zum Beispiel Parylene, oder Abdichtfolien verwendet. Die Verwendung von Abdichtfolien ist beispielsweise auch in DE 10 2008 055 1 16.3 beschrieben. Der Nachteil reiner Beschichtungen liegt jedoch oftmals in einem geringen mechanischen Zusammenhalt der Beschichtung insbesondere bei Scherbelastun- gen, wie sie in Übergangszonen unterschiedlicher Untergrund-Materialien auftreten. Beispielsweise kann sich bei mechanischer oder thermischer Beanspruchung das Entkopplungsmaterial gegenüber der Impedanzanpassschicht oder dem Wandlergehäuse verschieben, so dass an dieser Seite die Beschichtung aufreisen kann. Bei Verwendung von Folien führen thermische und mechanische Belastungen in vielen Fällen zumindest zu einer Dehnbelastung der Folie, so dass diese selbst oder deren Verklebung stark beansprucht wird.
Offenbarung der Erfindung Es wird daher ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers. Der vorgeschlagene Ultraschallwandler kann insbesondere nach dem vorgeschlage- nen Verfahren hergestellt werden, und das Verfahren kann eingesetzt werden, um einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler herzustellen. Dementsprechend kann für mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen des vorgeschlagenen Ultraschallwandlers verwiesen werden und umgekehrt. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler umfasst mindestens einen Wandlerkern mit mindestens einem akustisch-elektrischen Wandlerelement. Unter einem a- kustisch-elektrischen Wandlerelement ist dabei grundsätzlich ein Wandlerelement zu verstehen, welches eingerichtet ist, um akustische Signale, beispielsweise Ultraschallsignale, in elektrische Signale umzuwandeln und umgekehrt. Insbesondere kann das akustisch-elektrische Wandlerelement mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement umfassen, beispielsweise mit mindestens ei- ner Piezokeramik. Darüber hinaus kann der Wandlerkern weitere Elemente umfassen, beispielsweise mindestens eine Anpassschicht und/oder einen Anpasskörper zum Zwecke einer zumindest teilweisen Impedanzanpassung zwischen dem akustisch-elektrischen Wandlerelement und dem fluiden Medium. Bezüglich der möglichen Ausgestaltungen derartiger Anpasselemente kann auf den oben zitierten Stand der Technik verwiesen werden, beispielsweise die DE 10 2007
010 500 A1 , die DE 10 2008 055 1 16.3 oder die DE 10 2008 055 126.0. Die dort dargestellten Anpasskörper und/oder Anpassschichten und/oder Anpasselemente, wobei im folgenden für derartige Elemente allgemein der Begriff Anpasskörper verwendet wird, können auch in einem Wandlerkern in dem vorgeschlagenen Ultraschallwandler der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen. Der Wandlerkern kann insbesondere eine zylinderförmige Gestalt aufweisen, beispielsweise eine Gestalt eines Kreiszylinders und/oder eines Zylinders mit einem polygonalen Querschnitt. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Weiterhin umfasst der vorgeschlagene Ultraschallwandler mindestens ein Gehäuse. Beispielsweise kann es sich dabei um ein Kunststoffgehäuse und/oder ein metallisches Gehäuse handeln. Dieses Gehäuse kann den Wandlerkern vollständig oder teilweise umschließen. Beispielsweise kann das Gehäuse eine zylindrische Form aufweisen, mit einem Gehäuseinnenraum, in welchem der Wandlerkern aufgenommen ist. Das Gehäuse umfasst mindestens eine Gehäuseöffnung hin zu dem fluiden Medium. Beispielsweise kann eine Abstrahlfläche des Wandlerkerns, also eine Fläche, über welche akustische Signale von dem Wandlerkern an das fluide Medium abgegeben oder aus diesem aufgenommen werden können, aufweisen, welche dieser Öffnung zuweist und/oder innerhalb dieser Öffnung angeordnet ist. Die mindestens eine Gehäuseöffnung wird, um den Gehäuseinnenraum des Ultraschallwandlers gegenüber unerwünschten Einflüssen des fluiden Mediums abzuschirmen, wie beispielsweise Temperatur- und/oder Druckeinflüssen und/oder Medieneinflüssen, mit mindestens einer mit dem Wandlerkern in Verbindung stehenden Abdichtfolie zumindest teilweise abgedichtet. Vorzugsweise wird die Öff- nung vollständig durch die mindestens eine Abdichtfolie verschlossen. Die Abdichtfolie kann beispielsweise derart mit dem Wandlerkern in Verbindung stehen, dass eine Abstrahlfläche des Wandlerkerns großflächig auf dieser Abdichtfolie aufliegt. Beispielsweise kann die Abstrahlfläche eben ausgestaltet sein und in Kontakt mit der Abdichtfolie stehen, beispielsweise mit dieser verbunden sein, insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung wie beispielsweise eine
Klebverbindung. Weiterhin kann die Abdichtfolie auch mit einem Rand des Gehäuses, welcher die Gehäuseöffnung umgibt, verbunden sein, beispielsweise ebenfalls mit diesem formschlüssig verbunden werden, insbesondere verklebt werden. Unter einer Abdichtfolie ist dabei grundsätzlich eine beliebige Folie zu verstehen, welche zumindest teilweise dicht ist gegenüber dem fluiden Medium.
Unter einer Folie ist allgemein ein flexibles oder verformbares Element zu verstehen, dessen laterale Ausdehnungen seine Dicke erheblich übersteigen, beispielsweise um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100 oder sogar mindestens einen Faktor 1000. Beispielsweise kann eine derartige Folie membranartig ausgestaltet sein. Dementsprechend kann die Abdichtfolie beispielsweise ausgestaltet sein wie in DE 10 2008 055 1 16.3 beschrieben. Weitere Ausgestaltungen der Abdichtfolie und mögliche Materialien werden unten näher ausgeführt. Die Abdichtfolie kann insbesondere ein Kunststoffmaterial umfassen. Insbesondere können dabei eines oder mehrere der fol- genden Materialien verwendet werden: Polyetheretherketon (PEEK), Polypheny- lensulfid (PPS), Polyimid (insbesondere Kapton®), ein Flüssigkristallpolymer (Liquid Crystal Polymer, LCP), Fluorcarbone wie z.B. Teflon bzw. Polytetrafluo- rethen (PTFE) oder z.B. Perfluorethylenpropylen-Copolymer (FEP), Polyethylen- naphtalat (PEN). Auch andere Materialien sind jedoch grundsätzlich einsetzbar, beispielsweise hochtemperaturbeständige thermoplastische Kunststoffmaterialien. Grundsätzlich sind jedoch, alternativ oder zusätzlich, auch andere Materialien für die Abdichtfolie einsetzbar, beispielsweise metallische Materialien wie -.
insbesondere Metallfolien. Die Abdichtfolie kann ferner eine Klebstoffschicht mit umfassen. Die Abdichtfolie kann insbesondere eine Dicke von nicht mehr als 50 μηη aufweisen, vorzugsweise von nicht mehr als 25 μηη. Wie oben dargestellt, besteht eine Problematik bei der Verwendung von Folien zur Abdichtung darin, dass thermische und mechanische Belastungen zu einer Dehnbelastung führen können, welche die Folie selbst oder deren Fixierung, beispielsweise deren Verklebung mit dem Wandlerkern und/oder dem Gehäuse, belasten kann. Zur Lösung dieser Problematik wird vorgeschlagen, dass die Ab- dichtfolie mindestens eine Dehnungsverformung aufweist, wobei die Dehnungsverformung eingerichtet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Wandlerkern und dem Gehäuse zu ermöglichen. Damit wirkt die Dehnungsverformung grundsätzlich analog zu einem Faltenbalg oder kann sogar zumindest teilweise als derartiger Faltenbalg ausgestaltet sein. Die Dehnungsverformung kann bei- spielsweise eine Verformung aufweisen, welche eine Krümmung der Abdichtfolie beinhaltet, beispielsweise eine Krümmung aus einer ansonsten im Wesentlichen ebenen Ausgestaltung der Abdichtfolie heraus. Unter einer Dehnungsverformung kann also grundsätzlich eine beliebige Verformung der Abdichtfolie verstanden werden, welche in der Lage ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Wand- lerkern und dem Gehäuse zu ermöglichen, insbesondere auch in einer lateralen
Richtung, also parallel zur Fläche der Abdichtfolie. Insbesondere kann die Dehnungsverformung ausgestaltet sein, um sowohl eine Druckbelastung als auch eine Zugbelastung als auch eine Scherbelastung parallel zur Abdichtfolie aufzunehmen und in gewissen Grenzen aufgrund ihrer Verformung aus der generellen Erstreckungsebene der Abdichtfolie hinaus auszugleichen. Beispielsweise kann die Dehnungsverformung eine Dehnungsfalte und/oder eine Quetschfalte umfassen, also einer beliebigen Falte und/oder Verwerfung, welche in der Lage ist, sowohl eine Druckbelastung als auch eine Zugbelastung als auch eine Scherbelastung aufzunehmen. Die Dehnungsverformung kann insbesondere mindestens ei- ne der folgenden Verformungen aufweisen: eine in das fluide Medium hineinragende Dehnungsfalte; eine in einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses hineinragende Dehnungsfalte; einen Faltenbalg; eine stufenartige Verformung, wobei der stufenartigen Verformung eine erste Ebene der Abdichtfolie in eine zweite Ebene der Abdichtfolie überführt wird. Verschiedene Ausgestaltungen werden unten ex- emplarisch beschrieben. Die mindestens eine Dehnungsverformung kann dabei vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass diese außerhalb des Wandlerkerns und außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. So kann beispielsweise zwischen „
dem Gehäuse und dem Wandlerkern mindestens ein Zwischenraum ausgebildet sein, beispielsweise ein ringförmiger Zwischenraum. Die Dehnungsverformung kann insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, im Bereich dieses Zwischenraums ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Gehäuse ei- nen Rand aufweisen, welcher die Gehäuseöffnung umschließt, wobei eine Abstrahlfläche, beispielsweise eine ebene Abstrahlfläche, innerhalb dieses Randes angeordnet ist und vom diesen Rand vorzugsweise vollständig umschlossen wird. Zwischen dem Rand und der Abstrahlfläche kann dann der Zwischenraum ausgebildet sein. Die Abdichtfolie kann in diesem Fall beispielsweise die Gehäu- seöffnung vollständig überdecken, also zumindest teilweise den Rand, den Zwischenraum und die Abstrahlfläche. Die Dehnungsverformung kann dann beispielsweise in Form einer Dehnungsfalte oder eines Faltenbalgs im Bereich des Zwischenraums ausgebildet sein. Die Abdichtfolie kann insbesondere mit dem Gehäuse, beispielsweise einem
Rand des Gehäuses im Bereich der Gehäuseöffnung, und dem Wandlerkern, insbesondere einer Abstrahlfläche des Wandlerkerns, stoffschlüssig verbunden sein. Insbesondere kann die Abdichtfolie mit diesen Elementen verklebt sein. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Verbindung mit den Elementen mög- lieh, beispielsweise, alternativ oder zusätzlich, durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung. Zwischen dem Gehäuse und dem Wandlerkern kann, wie oben beschrieben, insbesondere mindestens ein Zwischenraum ausgebildet sein, insbesondere ein ringförmiger Zwischenraum. Dieser Zwischenraum kann vorzugsweise zumindest teilweise durch mindestens ein Entkopplungselement ausgefüllt sein, wobei das Entkopplungselement eingerichtet ist, um eine Körperschallübertragung zwischen dem Gehäuse und dem Wandlerkern zu dämpfen. Zu diesem Zweck kann das Entkopplungselement beispielsweise ein Material, insbesondere ein verformbares Material, und/oder ein Material mit einer geeigneten Füllung aufweisen, beispielsweise einer Füllung durch Hohlräume und/oder Gasblasen und/oder verformbare Einschlüsse. Beispielsweise lassen sich Materialien einer Füllung aus Hohlräumen und/oder Gasblasen, optional mit einer zusätzlichen Füllung an weiteren Füllstoffen, einsetzen. Beispielsweise kann ein Elastomermaterial oder ein weiches Thermoplastmaterial für das Entkopplungselement gewählt werden. Verschiedene Aus- gestaltungen und Beispiele des Entkopplungselements werden unten ausgeführt.
Das Entkopplungselement kann ebenfalls mit der Abdichtfolie in Verbindung stehen, insbesondere im Bereich der Dehnungsverformung. Wie unten dargestellt, kann die Dehnungsverformung insbesondere beim Einbringen des Entkopplungselements in den Zwischenraum ausgebildet werden, beispielsweise durch einen Überdruck und/oder einen Unterdruck und/oder eine erhöhte Temperatur des Entkopplungselements, zumindest während des Einbringens.
Neben dem Ultraschallwandler in einer oder mehreren der oben dargestellten Ausführungsformen wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, insbesondere eines Ultraschallwandlers gemäß einer oder mehreren der oben beschrie- benen Ausführungsformen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens ein Wandlerkern mit mindestens einem akustisch-elektrischen Wandlerelement in mindestens ein Gehäuse eingebracht. Mindestens eine Gehäuseöffnung wird gegenüber dem fluiden Medium mit einer mit dem Wandlerkern in Verbindung stehenden Abdichtfolie zumindest teilweise abgedichtet. Die Abdichtfolie wird derart ausgestaltet, dass diese mindestens eine aufweist, wobei die Dehnungsverformung eingerichtet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Wandlerkern und dem Gehäuse zu ermöglichen.
Zwischen dem Wandlerkern und dem Gehäuse kann mindestens ein Zwischen- räum ausgebildet werden. Dieser Zwischenraum kann zumindest teilweise mit mindestens einem Entkopplungselement ausgefüllt werden. Das Entkopplungselement ist dabei eingerichtet, um eine Körperschallübertragung zwischen dem Gehäuse und dem Wandlerkern zu dämpfen. Die Dehnungsverformung kann dabei zumindest teilweise beim Einbringen des Entkopplungselements in den Zwi- schenraum ausgebildet werden. Dies kann beispielsweise durch einen hohen
Einspritzdruck erfolgen, wie er beispielsweise bei Flüssigsilikonen in vielen Fällen eingesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Dehnungsverformung auch ganz oder teilweise zu einem anderen Zeitpunkt erzeugt werden. Beispielsweise kann die Dehnungsverformung auch durch eine Schrumpfung des eingebrachten Entkopplungselements nach dem Einbringen, beispielsweise nach dem Eingießen und/oder Einspritzen, entstehen. Insbesondere kann eine Schrumpfung bei einer Aushärtung und/oder einer Vernetzung und/oder einer Abkühlung des Entkopplungselements und/oder einer Ausgangsmasse des Entkopplungselements auftreten. Dies kann beispielsweise erfolgen, wenn als Entkopplungselement Si- likon verwendet wird. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann die Dehnungsverformung auch ganz oder teilweise durch ein Werkzeug, welches beim Einbringen des Entkopplungselements verwendet wird, beispielsweise ein Spritz- gießwerkzeug oder eine andere Art von Gießform, bewirkt, begünstigt oder zumindest unterstützt werden. Dies kann auch mit den oben beschriebenen Optionen der Erzeugung der Dehnungsverformung durch einen Überdruck und/oder eine Schrumpfung des Entkopplungselements kombiniert werden. Beispielsweise ließe sich eine Erzeugung der Dehnungsverformung durch eine Schrumpfung durch eine Werkzeugunterseite unterstützen, bei der keine Vertiefung, sondern eine ringförmige Erhöhung angebracht wird, die vor und/oder während und/oder nach dem Eingießen, Aushärten oder Abkühlen in den Zwischenraum zwischen Anpasskörper und Wandlergehäuse gedrückt wird. Verschiedene andere Aus- gestaltungen sind möglich und für den Fachmann aufgrund dieser Beschreibung realisierbar.
Zum Einbringen des Entkopplungselements kann beispielsweise eine verformbare Masse, beispielsweise ein Ausgangsstoff zur Bildung des Entkopplungsele- ments (beispielsweise ein Vorprodukt des Entkopplungselements), insbesondere mindestens eine fließfähige Masse, in den Zwischenraum eingegossen und/oder eingepresst und/oder eingespritzt werden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein herkömmlicher Spritzgießprozess und/oder ein Spritzpressprozess und/oder ein herkömmlicher Gießprozess verwendet werden. Dieser Prozess kann auch unter Anwendung eines erhöhten Drucks und/oder einer erhöhten Temperatur durchgeführt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Entkopplungselement ein Silikon, insbesondere ein Flüssigsilikon, umfasst. Derartige Flüssigsilikone (Liquide Silicone Rubber, LSR) sind niedrigviskose und heißvulkanisierende Silikone mit mindestens zwei Komponenten, welche additiv vernetzten. Diese können beispielsweise in einem Formgebungsprozess in den Zwischenraum eingebracht werden, welcher im Folgenden auch als LSR-Prozess oder LSR-Verfahren bezeichnet wird. Dabei können die Komponenten beispielsweise in einer Mehrkomponenten- Misch- und Dosieranlage einem Mischblock zugeführt werden, insbesondere unter erhöhtem Druck. Beispielsweise kann eine Mischung in einem Verhältnis von 1 :1 erfolgen. Auch andere Additive können beigemischt werden. Anschließend können, beispielsweise mittels einer LSR-Schneckeneinheit, die gemischten Materialien in ein erhitztes Werkzeug eingespritzt werden. Die Zuführeinheit, bei- spielsweise die LSR-Schneckeneinheit, kann beispielsweise auf eine niedrige
Temperatur von 20 bis 25 °C temperiert werden. Anstelle eines Werkzeugs wird im vorgeschlagenen Verfahren der Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und n
dem Wandlerelement verwendet, wobei dieser Zwischenraum beziehungsweise dessen Wände ebenfalls erwärmt werden können. Der Zwischenraum kann zusätzlich vor dem Einspritzen des reaktiven Materialgemischs evakuiert werden. Der LSR-Prozess ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und kann im Rah- men der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden, um das Entkopplungselement herzustellen und bei dieser Herstellung vorzugsweise auch gleich die Dehnungsverformung auszubilden.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler und das vorgeschlagene Verfahren wei- sen gegenüber bekannten Ultraschallwandlern und bekannten Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere können auf effektive Weise die oben dargestellten Spannungen in der Abdichtfolie vermieden werden. Zwar sind verformte Folien oder Membranen im Bereich von Schallwandlern prinzipiell aus dem Bereich der Lautsprechertechnologie bekannt. Dort wird jedoch zumeist die Membran rund um eine aktive Abstrahlfläche herum in Form eines Wulstes ausgeprägt. Dieser
Bereich dient dann selbst als entkoppelnde Aufhängung. Durch die Erfindung werden hingegen sowohl die Funktionen der Aufhängung des Wandlerkerns und dessen Ultraschall-Entkopplung von dem eingefüllten Entkopplungselement ü- bernommen, wohingegen die Folie lediglich dem Schutz gegenüber Medien dient und aufgrund der Verformung bei Druckeinwirkung und -Verformung nicht belastet wird. Die Erfindung ermöglicht deshalb die Realisierung eines medienresis- tenten Ultraschallwandlers, der gleichzeitig eine Körperschallentkopplung enthält und ausreichend druck- und temperaturstabil für den Einsatz auch unter rauen Bedingungen ist, beispielsweise im Ansaugtrakt eines Kraftfahrzeugs. Dabei kommt als Einbauposition sowohl die Niederdruckseite als auch die aufgeladene
Seite nach einem Turbolader oder einem Ladeluftkühler in Frage. Im Rahmen einer Motorsteuerung ist der vorgeschlagene Ultraschallwandler sowohl zu Luftmassenerfassung im Benzinbereich als auch im Dieselbereich, sowohl für Personenkraftwagen als auch für Nutzkraftwagen, geeignet. Insbesondere bei Nutz- kraftwagen ist die Einbauposition nach einem Ladeluftkühler vorteilhaft, welche aber höhere Druck- und/oder Medienanforderungen beinhaltet, beispielsweise Druckanforderungen bis hin zu 6 bar, eine Dichtheit gegenüber Öl und Abgasanteilen oder ähnlichem. Diese Anforderungen können durch den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler jedoch gut erfüllt werden.
Die Dehnungsverformung kann dabei, wie oben dargestellt, auf verschiedene Weise ausgestaltet werden, ohne dass hier durch die Dichtheit der Abdichtfolie gegenüber Druck und/oder Medien beeinträchtigt wird. So kann diese Abdichtfolie beispielsweise umgeformt ausgestaltet sein, das heißt nicht-eben ausgestaltet sein, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben dargestellten Formen. Durch die Umformung der Abdichtfolie kann sich somit beispielsweise eine Art vereinfachter„Faltenbalg" ergeben, der eine Relativbewegung des Wandlerkerns gegenüber dem Gehäuse ermöglicht, ohne dass die Abdichtfolie und/oder deren Verklebung belastet wird. Damit wird der Ultraschallwandler trotz der weichen, das heißt beweglichen, Entkopplung im hohen Maße Medien-, Temperatur- und/oder Druck-belastbar. Auch ein Zielkonflikt zwischen dieser Belastbarkeit und einer optimalen Einkopplung kann auf diese Weise gelöst werden.
Insbesondere durch den oben dargestellten LSR-Prozess jedoch auch durch andere Herstellverfahren, insbesondere zur Herstellung eines Entkopplungselements, kann ein dicht an der verformten Abdichtfolie anliegendes Entkopplungs- element ermöglicht werden. Bei Verwendung eines Entkopplungs-Formteils, welches in den Zwischenraum als Ganzes eingebracht wird, wie es aus dem Stand der Technik beispielsweise bekannt ist, könnte sich dagegen ein luftgefüllter Übergang zwischen dem Entkopplungswerkstoff und der Abdichtfolie bilden, welcher kompressibel ist und damit bei Druckbeaufschlagung die Folie belastet. In diesem Fall wären beispielsweise die oben beschriebenen Druckanforderungen nur schwer zu erfüllen. Erfindungsgemäß lässt sich dieser Nachteil jedoch vermeiden, indem insbesondere das Entkopplungselement dich an der Abdichtfolie anliegt oder sogar mit dieser verbunden ist, beispielsweise formschlüssig. Ebenso kann auf diese Weise vermieden werden, dass sich luftgefüllte Hohlräume oder Bereiche ohne Adhäsion zwischen der Abdichtfolie und der Entkopplung mit
Medien füllen oder über Wechselbelastungen mit derartigen Medien beaufschlagt, beispielsweise voll gepumpt, werden. Durch den Formgebungsprozess des Entkopplungselements, beispielsweise durch den LSR-Prozess, kann die Verformung selbst bereits erzeugt werden, da dieser Prozess hohe Temperatu- ren und Drücke mit sich bringt. Dies wäre beispielsweise bei herkömmlichen
Geißprozessen nicht ohne weiteres möglich. Ein Gießprozess würde darüber hinaus zu erheblich längeren Aushärtezeiten führen, die in einer Großserie unwirtschaftlich sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Verformung jedoch, wie oben bereits ausgeführt, auch ganz oder teilweise zu einem anderen Zeitpunkt erzeugt werden, beispielsweise bei einem Abkühlen und/oder Erstarren und/oder
Vernetzen des Entkopplungselements. Der Ultraschallwandler kann auf verschiedene Weise ausgelegt sein. Vorteilhafterweise kann dieser für einen Frequenzbereich von 100 kHz bis 600 kHz und insbesondere von 200 kHz bis 400 kHz, letzteres insbesondere für eine Strömungsmessung im Kraftfahrzeug, ausgestaltet sein. Der Ultraschallwandler kann ausgelegt sein für Luft oder Gase als Umgebungsmedien und/oder andere Arten fluider Medien. Rückseitig an der Abdichtfolie kann, wie oben dargestellt, das Entkopplungsmaterial dicht anliegen und/oder sogar anhaften, beispielsweise durch eine formschlüssige Verbindung. Diese formschlüssige Verbindung kann beispielsweise bereits beim Einbringen des Entkopplungselements, beispielswei- se der Ausgangsmasse für den LSR-Prozess, erzeugt werden, ohne dass hierfür ein separater Verfahrensschritt erforderlich wäre. Das Entkopplungselement kann als Teil der Befestigung des Wandlerkerns, also beispielsweise eines piezoelektrischen Wandlers und mindestens einer Impedanzanpassschicht, dienen und kann dazu ausgestaltet sein, auf die Folie wirkende Druckkräfte aufzuneh- men und weiterzuleiten. Dementsprechend ist die Abdichtfolie vorzugsweise nicht selbst die Membranaufhängung, wie bei einem Lautsprecher, sondern dient lediglich zur Abdichtung des Gehäuseinnenraums. Die auszugleichenden Relativbewegungen sind dabei nicht die akustischen Schwingungen, die der Ultraschallwandler beziehungsweise der Wandlerkern selbst abstrahlt oder empfängt, da diese Schwingbewegungen nur Amplituden in der Größenordnung von ca. 1 μηη aufweisen, sondern durch Druckschwankungen verursachte Bewegungen oder die thermische Ausdehnung der verwendeten Dämpfungs- und Entkopplungsmaterialien mit wesentlich größeren Amplituden, beispielsweise in einer Größenordnung von 100 μηη.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler lässt sich technisch vergleichsweise einfach realisieren, beispielsweise unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei kann die Dehnungsverformung bereits zuvor in der Abdichtfolie ausgebildet sein oder kann erst während des Herstellprozesses ausgebildet wer- den. So kann die Umformung der Folie beispielsweise vor dem Einbringen des
Entkopplungselements, beispielsweise eines Entkopplungsmaterials des Entkopplungselements, und/oder durch das Einbringen des Entkopplungselements beziehungsweise dessen Material erfolgen. Letzteres kann beispielsweise, wie oben dargestellt, durch den LSR-Prozess erfolgen, der gleichzeitig dazu genutzt werden könnte, die Abdichtfolie direkt an eine Werkzeugkontur zu pressen und damit zu verformen. Auch ein inverser Prozess ist denkbar, bei welchem die Werkzeugkontur eine Schrumpfung unterstützt, wie oben beschrieben wurde. Allgemein kann damit also das Einbringen des Entkopplungselements, beispielsweise eines Materials des Entkopplungselements, kombiniert werden mit einer Formgebung der Abdichtfolie, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines äußeren Werkzeugs, in welches das Gehäuse, der Wandlerkern und die Abdichtfolie abgelegt werden und welches eine entsprechende Kontur zur Ausbildung der Dehnungsverformung aufweist. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß Ultraschallwandlers in Schnittdarstellung;
Figuren 2 und 3 verschiedene Verformungszustände einer Dehnungsverformung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 ;
Figuren 4 bis 12 Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; und
Figuren 13 bis 18 verschiedene Ausführungsbeispiele geometrischer Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Dehnungsverformungen.
Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 1 10 in einer Schnittdarstellung von der Seite gezeigt. Der Ultraschallwandler umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein akustisch-elektrisches Wandlerelement 1 12, beispielsweise in Form einer Piezokeramik, sowie einen abstrahlseitig auf dem akustisch-elektrischen Wandlerelement 1 12 angeordneten Anpasskörper 1 14. Der Anpasskörper 1 14 dient einer Verbesserung der akustischen Kopplung zwischen dem akustisch-elektrischen Wandlerelement 1 12 und einem fluiden Medium, welches in Figur 1 symbolisch mit der Bezugsziffer 1 16 bezeichnet ist. Dementsprechend kann der Anpasskörper 1 14 beispielsweise zumindest teilweise eine Impedanzanpassung vornehmen. Für Ausgestaltungen des Anpasskörpers 1 14, welcher beispielsweise als Anpassschicht ausgestaltet sein kann und als Einkoppelelement wirkt und weicher auch mehrschichtig ausgestaltet sein kann, kann auf die DE 10 2007 010 500 A1 sowie die DE 10 2008 055 1 16.3 und die DE 10 2008 055 126.0 verwiesen werden, welche oben bereits genannt wurden. Der Anpasskörper 1 14 und das akustisch-elektrische Wandlerelement 1 12 bilden gemeinsam einen Wandlerkern 1 18.
Weiterhin umfasst der Ultraschallwandler 1 10 in dem dargestellten Ausführungs- beispiel ein Gehäuse 120, beispielsweise in Form einer Hülse. Das Gehäuse 120 kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoffwerkstoff hergestellt sein. Das Gehäuse 120 weist auf seiner dem fluiden Medium 1 16 zuweisenden Seite eine Gehäuseöffnung 122 auf, wobei ein Rand 124 des Gehäuses 120 die Gehäuseöffnung 122 ringförmig umgibt, beispielsweise in Form eines Kreisrings und/oder eines polygonalen Rings. Zwischen dem Gehäuse 120 und dem Wandlerkern 1 18 ist ein Zwischenraum 126 ausgebildet. Dieser Zwischenraum 126 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel teilweise mit einem Entkopplungselement 128 ausgefüllt. Dieses Entkopplungselement 128 dient dazu eine Körperschallübertragung zwischen dem Ge- häuse 120 und dem Wandlerkern 1 18 oder umgekehrt zumindest zu dämpfen.
Die Gehäuseöffnung 122 ist gegenüber dem fluiden Medium 1 16 durch eine Abdichtfolie 130 verschlossen. Diese Abdichtfolie 130 liegt dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vollflächig auf einer hier beispielsweise eben ausgestal- teten Abstrahlfläche 132 des Wandlerkerns 1 18 auf und ist mit dieser beispielsweise lose oder über eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Verklebung, verbunden. Weiterhin ist die Abdichtfolie 130 mit dem Rand 124 verbunden und auf diesem beispielsweise ebenfalls aufgeklebt. Über die Abstrahlfläche 132 erfolgt eine Kopplung zwischen dem Wandlerkern 1 18 und dem flui- den Medium 1 16, beispielsweise zur Schallabstrahlung und/oder zur Schallaufnahme.
Im Bereich des Zwischenraums 126 weist die Abdichtfolie 130 eine Dehnungsverformung 134 auf. Diese Dehnungsverformung 134, deren mögliche Ausgestal- tungen unten noch näher erläutert werden, kann beispielsweise ringförmig um den Wandlerkern 1 18 herumlaufen und kann so einen Verformbereich ausbilden. Die Dehnungsverformung 134 kann eine Relativbewegung zwischen dem Wand- lerkern und dem Gehäuse ermöglichen. Dabei ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, wie unten noch näher erläutert wird, das Entkopplungselement 128 derart ausgestaltet, dass dieses unmittelbar auf der Abstrahlfläche 132 im Bereich der Dehnungsverformung 134 aufliegt und mit diesem Vorzugsweise verbunden ist, beispielsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise ein Verkleben. Eine derartige Verbindung kann jedoch auch unmittelbar bei Einbringen des Entkopplungselements 128 hergestellt werden, beispielsweise nach dem unten beschriebenen LSR-Verfahren. Das Entkopplungselement 128 ist in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich ringförmig ausgebildet, so dass oberhalb des Wandlerkerns 1 18 ein Freiraum verbleibt. Dieser Freiraum ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem weiteren Dämpfungsmaterial 136 ausgefüllt, beispielsweise einem Dämpfungsverguss. Je nach Materialzusammensetzung und Detailauslegung kann das Dämpfungsmaterial 136 auch identisch mit dem Entkopplungselement 128 sein und entweder zeitlich versetzt oder auch gleichzeitig mit dem Entkopplungselement 128 im selben Prozessschritt angebracht werden.
Weiterhin weist der Ultraschallwandler 1 10 in dem dargestellten Beispiel Kontaktpins 138 auf, welche durch einen Deckel 140 gehaltert sind und über elektrische Zuleitungen 142 mit dem akustisch-elektrischen Wandlerelement 1 12 verbunden sein können. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch in diesem und in anderen Ausführungsbeispielen auch eine andere Art der elektrischen Kontaktierung des elektrisch-akustischen Wandlerelements 1 12 denkbar, beispielsweise über Klemmen, Kontaktbügel, angelötete oder angeschweißte Drähte oder ähnliche Kontaktierungselemente. Der Deckel 140 liegt dabei beispielsweise auf einer Stufe 144 im Gehäuse 120 auf. Der Deckel 140 kann beispielsweise, wie unten noch näher erläutert wird, durch eine Bördelung 146 des Gehäuses 120 fixiert werden. Das akustisch-elektrische Wandlerelement 1 12 setzt elektrische Signale in akustische Schwingungen um (Sendebetrieb) oder umgekehrt (Empfangsbetrieb). Das akustisch-elektrische Wandlerelement 1 12 ist mit dem Anpasskörper 1 14, welcher als Einkoppelelement wirkt, verbunden, welches im Wesentlichen mindestens ein Material zur akustischen Impedanzanpassung zwischen dem fluiden Medium 1 16, beispielsweise der Luft, und dem akustisch-elektrischen Wandlerelement 1 12 umfassen kann. Der als Einkoppelelement wirkende Anpasskörper 1 14 oder Teilbereiche dieses Elements können gleichzeitig durch spezielle Mate- rialeigenschaften dazu genutzt werden, thermisch induzierte Verspannungen zwischen dem Anpasskörper 1 14 und dem akustisch-elektrischen Wandlerelement 1 12, beispielsweise einem Piezoelement, zu reduzieren. Der so gebildete Wandlerkern 1 18 ist über das Entkopplungselement 128 in dem Gehäuse 120 befestigt, welches beispielsweise als Hülse ausgestaltet sein kann und welches als Material beispielsweise tiefgezogenen Stahl aufweisen kann. Alternativ können auch andere Metalle oder auch Kunststoffe eingesetzt werden. Der Wandlerkern 1 18 ist rückseitig durch das Dämpfungsmaterial 136 bedämpft, welches wie oben beschrieben auch ganz oder teilweise identisch mit dem Entkopplungs- element 128 sein kann.
Der Ultraschallwandler 1 10 wird rückseitig durch den Deckel 140, welcher beispielsweise als Deckelring ausgestaltet sein kann, verschlossen. Der Deckel 140 kann auch gleichzeitig die Kontaktpins 138, beispielsweise zwei Kontaktpins, fi- xieren, beispielsweise durch ein Einklemmen oder Einspritzen. Der Deckel 140 kann beispielsweise mittels einer Klemmung, einer Versch raubung, eines Bajonettverschlusses, einer Klebung oder, wie in Figur 1 dargestellt, der Bördelung 146 mit dem Gehäuse 120 verbunden sein. Allgemein sind beliebige kraftschlüssige, formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungsverfahren möglich. Im Inneren des Gehäuses 120, also in einem Gehäuseinnenraum 148, vermitteln die elektrischen Zuleitungen 142 den Kontakt mit dem akustisch-elektrischen Wandlerelement 1 12.
Ein Frontbereich des Ultraschallwandlers 1 10 wird durch die Abdichtfolie 130 abgedeckt, die mit dem Anpasskörper 1 14 und dem Gehäuse 120 vorzugsweise verklebt ist. Als Folienmaterial für die Abdichtfolie 130 kann beispielsweise Poly- imid, insbesondere Kapton, PEEK, Teflon oder ein anderes der oben genannten Polymermaterialien oder ein weiteres Polymermaterial oder Kombinationen der genannten und/oder andere Polymermaterialien verwendet werden. Theoretisch denkbar wären alternativ oder zusätzlich auch dünne Metallfolien. Die Folienstärke sollte vorzugsweise maximal bei ca. 50 μηη liegen, insbesondere in der Größenordnung oder auch deutlich kleiner als 25 μηη. Dabei ist ein Kompromiss zwischen möglichst guter akustischer Abstrahlung in normaler Richtung zur Abstrahlfläche 132, möglichst geringer Körperschallweiterleitung längst der Absichtfolie 130 und möglichst geringer Medienpermiation zu treffen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Figur 1 kann die Abdichtfolie 150 beispielsweise einen im Wesentlichen ebenen Hauptbereich 150 aufweisen, insbesondere im Bereich der Abstrahlfläche 132. Über diesen Hauptbereich 150 wird Ultraschall abgestrahlt oder empfangen. Dieser Hauptbereich 150 kann ge- danklich in Form einer mathematischen Ebene nach außen fortgesetzt werden.
Außerhalb des ebenen Hauptbereichs 150 liegt ein Bereich, in welchem die Abdichtfolie 130 derart verformt ist, dass Anteile der Abdichtfolie 130 deutlich von dieser mathematischen Ebene entfernt sind. Dies ist ein Ausführungsbeispiel der Dehnungsverformung 134. Als Maß für eine derartige deutliche Verformung kann beispielsweise ein Abstand von der Ebene des Hauptbereichs 150 in einer Größenordnung von 100 μηη oder mehr angesehen werden. Vorzugsweise weist also allgemein in diesem oder auch in anderen Ausführungsbeispielen die Dehnungsverformung 134 eine Größenordnung von mindestens 100 μηη auf. In Figur 18 sind in schematischer Darstellung verschiedene Verläufe des Bereichs der Dehnungsverformung 134 der Abdichtfolie 130 dargestellt. Diese verdeutlichen nochmals, was unter einer deutlichen Umformung zu verstehen ist und wie diese ausgestaltet sein kann. So kann beispielsweise die Dehnungsverformung 134 derart ausgestaltet sein, dass diese von den Dimensionen her min- destens eine Umformung in der Größenordnung der zu erwartenden Bewegung aufgrund von Temperatur- und/oder Druckänderungen beinhaltet. In Figur 18 wird in einem Bereich der Folie deren dort mit A bezeichnete Oberfläche durch den Verformungsprozess gegenüber einer ebenen Folie so vergrößert, dass diese Oberfläche im Wesentlichen gleich bleiben kann, dass heißt keine oder nur eine geringe Dehnung aufweist, wenn der Wandlerkern 1 18 (in Figur 18 nicht dargestellt) beispielsweise durch thermische Ausdehnung von Materialien innerhalb des Wandlerkerns 1 18 und/oder eine Druckbelastung eine entsprechende axiale Bewegung vollführt. Die axiale Bewegung ist in Figur 18 mit B bezeichnet. Die Abstrahlfläche 132 des Wandlerkerns 1 18 ist in dem Ausführungsbeispiel in
Figur 1 exemplarisch eben dargestellt. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. So ist es beispielsweise möglich, wenn die Oberfläche des Anpasskörpers 1 14, beispielsweise der Impedanzanpassungsschicht beziehungsweise des Einkoppelelements, selbst uneben ausgestaltet ist. Beispiels- weise kann diese mit einer oder mehreren Phasen versehen sein beziehungsweise in Form eines stumpfen Kegels ausgestaltet sein. Hierdurch kann das Einkoppelverhalten in die Luftkammer beispielsweise bezüglich der Bandbreite, der Abstrahlcharakteristik oder anderer Kriterien positiv beeinflusst werden. In diesem Fall weist die Abdichtfolie 130 keinen ebenen Hauptbereich auf. Dennoch kann ein zusätzlicher Umformbereich als Dehnungsverformung 134 in der Region der Entkopplung angebracht werden, um die Abdichtfolie 130 bei Bewegun- gen des Wandlerkerns 1 18 gegenüber dem Gehäuse 120 zu entlasten.
In den Figuren 2 und 3 ist in einer Ausschnittsdarstellung die Dehnungsverformung 134 des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 in verschiedenen Belas- tungszuständen gezeigt. Ist die Verformung der Abdichtfolie 130 bei einer be- stimmten Temperatur, beispielsweise wie in Figur 2 dargestellt, ausgeprägt, dann wird sich bei einem bestimmten höheren Gegendruck oder einer bestimmten niedrigeren Temperatur eine Geometrie ähnlich der in Figur 3 gezeigten Darstellung einstellen. Die Situation gemäß Figur 2 kann jedoch auch vorliegen, während (was unten noch näher ausgeführt wird) das Gehäuse 120 mit einem Dämp- fungs- oder Entkopplungswerkstoff gefüllt wird oder während diese Werkstoffe unter Temperatureinwirkung ausgehärtet werden.
In den Figuren 4 bis 12 sind Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung eines Ultraschallwandlers 1 10 dargestellt. Exemplarisch wird dabei ein Ultraschallwandler 1 10 gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hergestellt. Dementsprechend kann bezüglich der einzelnen Elemente auf die obige Beschreibung der Figur 1 verwiesen werden. Auch eine Herstellung eines anderen Ultraschallwandlers 1 10 ist mittels des vorgeschlagenen Verfahrens grundsätzlich möglich.
Figur 4 zeigt als möglichen Startpunkt innerhalb einer Prozessabfolge eine Baugruppe, welche das Gehäuse 120, die Abdichtfolie 130 und den Anpasskörper 1 14, welcher als Einkoppelelement wirkt, umfasst. Diese Baugruppe wird, wie in Figur 2 dargestellt, in ein Werkzeug 152 eingelegt. Exemplarisch wird dabei im Folgenden angenommen, dass es sich bei diesem Werkzeug 152 um ein Werkzeug für einen LSR-Prozess handelt. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Formgebungsprozessen einsetzbar, beispielsweise Gießprozesse und/oder Spritzprozesse und/oder Pressprozesse, bei welchen eine Formgebung mindestens eines Ausgangsmaterials erfolgt, um ein Entkopplungselement 128 herzustellen. Das Werkzeug 152 ist in Figur 4 lediglich symbolisch angedeutet.
Dieses Werkzeug 152 kann darüber hinaus weitere Elemente umfassen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Werkzeug 152 ein erstes Formteil 154, in welchem im Bereich der herzustellenden Dehnungsverformung 134 ein Negativprofil 156 vorgesehen ist, welches die Form der späteren Dehnungsverformung 134 definieren kann. Beispielsweise kann dieses Negativprofil 156 in dem angegebenen Bereich eine Vertiefung aufweisen, beispielsweise in Form einer Rinne, beispielsweise einer Rinne mit einem abgerundeten Querschnitt, beispielsweise einem parabelförmigen oder runden Querschnitt. Auch andere Formen sind möglich. Darüber hinaus kann das Werkzeug 152 weitere Formteile umfassen, welche in den Figuren nicht dargestellt sind. Weiterhin wird in dem in Figur 5 dargestellten Verfahrensschritt ein Stempel 158 in den Gehäuseinnenraum 148 des Gehäuses 120 eingefahren, wobei optional gleichzeitig das Gehäuse 120 gegen das erste Formteil 154 gepresst werden kann. Der Stempel 158 kann beispielsweise so heruntergefahren werden, dass dieser durch Andruck gegenüber dem Anpasskörper 1 14, wie in Figur 6 darge- stellt, und am Umfang gegenüber der Stufe 144 des Gehäuses 120 und/oder einer anderen Art von Auswölbung des Gehäuses 120 abgedichtet wird, während gleichzeitig das Gehäuse 120 mitsamt der Abdichtfolie 130 auf das erste Formteil 154 gepresst wird. Der Stempel 158 kann somit Bestandteil des Werkzeugs 152 sein und als weiteres Formteil dieses Werkzeugs 152 wirken. Auch eine andere Ausgestaltung ist jedoch grundsätzlich möglich. Durch Kanäle 160 wird dann eine verformbare Masse 162 in den Zwischenraum 126 zwischen dem Anpasskörper 1 14 beziehungsweise dem Stempel 158 und dem Gehäuse 120 eingespritzt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Vorstoff handeln, aus welchem, beispielsweise durch eine chemische Reaktion und/oder einen physikalischen Pha- senübergang, das Entkopplungselement 128 gebildet wird. Beispielsweise kann es sich bei dieser verformbaren Masse um Flüssigsilikon (LSR, Liquide Silicone Rubber) handeln. Die verformbare Masse wird im Werkzeug 152 erhitzt, wodurch ein hoher Druck entsteht. Beispielsweise kann bei 200 °C ein Druck von 100 bis 200 bar entstehen. Dieser Druck presst gleichzeitig die Abdichtfolie 130 in die Kontur des ersten Formteils 154 im Bereich des Negativprofils 156. Dabei wird die Abdichtfolie 130 umgeformt, und die Dehnungsverformung 134 entsteht.
Die verformbare Masse kann auch mit Zusatzstoffen versehen sein, beispielsweise mit Füllstoffen oder Hohlräumen. Auf diese Weise kann beispielsweise ei- ne optimale Körperschallentkopplung und/oder eine optimale Körperschalldämpfung erfolgen. Auf diese Weise können die Eigenschaften des Entkopplungselements 128 eingestellt werden. Besonders geeignet sind hierbei Silikonschäume oder Beimengungen von Glas und/oder Kunststoffkugeln und/oder Hohlkugeln. Insbesondere lassen sich letztere, also Kunststoffkugeln oder Kunststoffhohlkugeln, thermisch leicht verformen und führen zu besonders vorteilhaften Entkopplungseigenschaften. Eine besonders einfache Art und Weise der Beimengung dieser Kugeln ist das Einmischen in die Harzkomponente des Silikons vor der
Vermischung mit dem Härteanteil. Andere, aber in der Regel schwerer beherrschbare Möglichkeiten zur Schäumung des Silikons sind physikalische oder chemische Methoden. Im letzteren Fall kann die Schaumbildung sogar am Zielort innerhalb des Zwischenraums 126 erfolgen.
Nach dem in Figur 7 dargestellten Einspritzvorgang wird der Stempel 158 in einem in Figur 8 dargestellten Verfahrensschritt wieder aus dem Gehäuseinnenraum 148 entfernt. Anschließend wird in einem in den Figuren 9 und 10 dargestellten Verfahrensschritt das akustisch-elektrische Wandlerelement 1 12 einge- fügt. Dies kann beispielsweise als Baugruppe geschehen, wie in Figur 9 dargestellt. Diese Baugruppe kann beispielsweise neben dem akustisch-elektrischen Wandlerelement 1 12 die Kontaktpins 138 und die elektrischen Zuleitungen 142 sowie den Deckel 140 umfassen. Das akustisch-elektrische Wandlerelement 1 12, beispielsweise das piezoelektrische Wandlerelement, kann insbesondere mithilfe von Sauggreifern 164 eingefügt werden. Das akustisch-elektrische
Wandlerelement 1 12 kann beispielsweise mit dem Anpasskörper 1 14 stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise durch ein Klebeverfahren. Auch eine andere Art der Montage ist grundsätzlich möglich, beispielsweise eine Kontak- tierung des akustisch-elektrischen Wandlerelements 1 12, nachdem dieses in den Gehäuseinnenraum 148 eingefügt wurde. Die dargestellte Montageweise mit bereits kontaktiertem akustisch-elektrischen Wandlerelement 1 12 ist jedoch bevorzugt. Nach Einbringen und Fixieren des akustisch-elektrischen Wandlerelements 1 12 kann der Deckel 140, wie in Figur 1 1 dargestellt, fixiert werden, beispielsweise mittels der bereits oben beschriebenen Bördelung 146 oder einer anderen Art der Fixierung. Anschließend kann der verbleibende Gehäuseinnenraum 148, wie in Figur 12 dargestellt, mit dem Dämpfungsmaterial 136 gefüllt werden. Zu diesem oder einem anderen Zeitpunkt kann dann der fertige Ultraschallwandler 1 10 aus dem ersten Formteil 154 entnommen werden. Wie oben dargestellt, kann beispielsweise das Negativprofil 156 mit seiner Kontur die Form der Dehnungsverformung 134 vorgeben. Einige denkbare Varianten der Umformungskontur sind beispielhaft in den Figuren 13 bis 17 dargestellt. Ex- emplarisch ist dabei jeweils das erste Formteil 154 des Werkzeugs 152 mitgezeigt. Bei diesen Ausführungsformen zeigt Figur 13 ein Beispiel, bei welchem die Dehnungsverformung 134 eine in das fluide Medium 1 16 hineinragende Dehnungsfalte aufweist, ähnlich oder analog zu dem in Figur 1 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel. In Figur 14 ist hingegen ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem eine Dehnungsfalte in den Zwischenraum 126 hineinragt.
Während in den Ausführungsbeispielen in den Figuren 13 und 14 die Abstrahlfläche 132 in einer Ebene mit dem Rand 124 des Gehäuses 120 angeordnet ist, zeigen die Ausführungsbeispiel in den Figuren 15 bis 17 einen Versatz der Abstrahlfläche 132 gegenüber dem Rand 124. Hierdurch entsteht eine stufenartige Verformung, wobei die Abdichtfolie 130 im Bereich dieser stufenartigen Verformung von der Ebene der Abstrahlfläche 132 in die Ebene des Rands 124 überführt wird. Bei dem in Figur 15 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ebene der Abstrahlfläche 132 in den Gehäuseinnenraum 148 hinein gegenüber dem Rand
124 versetzt. Zusätzlich kann, wie in Figur 15 ebenfalls gezeigt, im Bereich des Zwischenraums 126 noch eine Dehnungsfalte vorgesehen sein, welche in diesem Fall ebenfalls in den Gehäuseinnenraum 148 hineinragt. Demgegenüber zeigt Figur 16 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Ebene der Abstrahlfläche 132 hin zum fluiden Medium 1 16 gegenüber dem Rand 124 versetzt ist. Zusätzlich kann, wie in Figur 16 gezeigt, im Bereich des Zwischenraums 126 noch eine Dehnungsfalte vorgesehen sein, welche in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch in das fluide Medium 1 16 hineinragt. Figur 17 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei welchem lediglich ein Versatz, beispielsweise analog zu Figur 16, stattfindet, wobei jedoch zusätzlich zu dieser stufenartigen Verformung keine weitere Dehnungsfalte vorgesehen ist. Der stufenartige Versatz alleine bildet in diesem Fall die Dehnungsverformung 134. Die stufenartige Verformung kann beispielsweise, wie oben dargestellt, einen Versatz der Ebenen in einer Größenordnung von mindestens 100 μηη umfassen, vorzugsweise mehr. Insbesondere die Kontur in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 17 wird sich dabei in der Regel während des Abkühlens jedoch so stark verändern, dass bei Raumtemperatur in etwa die gleiche Geometrie wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 oder Figur 13 entsteht, welche eine axiale Bewe- gung des Wandlerkerns 1 18 in beiden Richtungen ermöglicht, ohne dass die Abdichtfolie 130 wesentlich gedehnt wird. Die oben dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Figuren 4 bis 12 lassen sich auf verschiedene Weise abwandeln, ohne dass hierdurch vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird. So lässt sich beispielsweise die Umformung der Abdichtfolie 130 auch zu einem anderen Zeitpunkt oder auf andere Weise bewirken, wobei die Dehnungsverformung 134 entsteht. So ist beispielsweise eine Umformung vor einem Verkleben der Folie 130 mit dem Gehäuse 120 möglich. Weiterhin lässt sich zur Herstellung der Dehnungsverformung 134 beispielsweise ein Vakuum-Tiefziehverfahren einsetzen und/oder ein Autoklavenprozess. Ein Tiefziehen kann auch ohne ein Vakuum oder Luftdruck erfolgen, beispielsweise mit einem Spannrahmen und/oder einem Formwerkzeug, beispielsweise in Form eines Heißprägeverfahrens. Weiterhin kann die Umformung, alternativ oder zusätzlich, auch während oder nach dem Verkleben erfolgen. Die Umformung kann auch nach dem Verkleben, beispielsweise durch den LSR-Prozess, erfolgen. Weiterhin kann die Umformung auch vor und während des LSR-Prozesses beziehungsweise des Einfüllprozesses erfolgen. In diesen Fällen kann es beispielsweise günstig sein, die Abdichtfolie 130 vor dem Einlegen in das Werkzeug 152 vorzudehnen, wobei die endgültige Formgebung dann beispielsweise durch eine zweite Verformung während des Einfüllprozesses, beispielsweise während des LSR-Prozesses, erfolgen kann. Weiterhin kann die Abdichtfolie 130 auch generell als Positionierhilfe genutzt werden. Dies ist beispielsweise dann auf besonders einfache Weise realisierbar, wenn, wie in Figur 4 gezeigt, eine Vorbaugruppe mit einem zentrierten Aufbau verwendet wird, welche das Gehäuse 120, die Abdichtfolie 130 und den Anpasskörper 1 14 umfasst. Somit kann gewährleistet werden, dass zumindest die Bauteile dieser Vorbaugruppe innerhalb des ohnehin komplexen Einfüllprozesses, beispielsweise des LSR-Prozesses, nicht mehr zueinander positioniert werden müssen.

Claims

Ansprüche
1 . Ultraschallwandler (1 10) zum Einsatz in einem fluiden Medium (1 16), umfassend mindestens einen Wandlerkern (1 18) mit mindestens einem akustischelektrischen Wandlerelement (1 12), insbesondere einem piezoelektrischen Wandlerelement (1 12), weiterhin umfassend mindestens ein Gehäuse (120), wobei mindestens eine Gehäuseöffnung (122) gegenüber dem fluiden Medium (1 16) mit einer mit dem Wandlerkern (1 18) in Verbindung stehenden Abdichtfolie (130) zumindest teilweise abgedichtet ist, wobei die Abdichtfolie (130) mindestens eine Dehnungsverformung (134) aufweist, wobei die Deh- nungsverformung (134) eingerichtet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Wandlerkern (1 18) und dem Gehäuse (120) zu ermöglichen.
2. Ultraschallwandler (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dehnungsverformung (134) mindestens eine der folgenden Verformungen aufweist: eine in das fluide Medium (1 16) hineinragende Dehnungsfalte; eine in einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses (120) hineinragende Dehnungsfalte; einen Faltenbalg; eine stufenartige Verformung, wobei bei der stufenartigen Verformung eine erste Ebene der Abdichtfolie (130) in eine zweite E- bene der Abdichtfolie (130) überführt wird.
3. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Gehäuse (120) und dem Wandlerkern (1 18) mindestens ein Zwischenraum (126) ausgebildet ist, wobei die Dehnungsverformung (134) zumindest teilweise im Bereich des Zwischenraums (126) ausgebildet ist.
4. Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdichtfolie (130) mit dem Gehäuse (120), insbesondere einem Rand (124) des Gehäuses (120) im Bereich der Gehäuseöffnung (122), und dem Wandlerkern (1 18), insbesondere einer Abstrahlfläche (132) des Wandler- kerns (1 18), stoffschlüssig verbunden ist.
Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Gehäuse (120) und dem Wandlerkern (1 18) mindestens ein Zwischenraum (126) vorgesehen ist, insbesondere ein ringförmiger Zwischenraum (126), wobei der Zwischenraum (126) zumindest teilweise durch mindestens ein Entkopplungselement (128) ausgefüllt ist, wobei das Entkopplungselement (128) eingerichtet ist, um eine Körperschallübertragung zwischen dem Gehäuse (120) und dem Wandlerkern (1 18) zu dämpfen.
Ultraschallwandler (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Entkopplungselement (128) mit der Abdichtfolie (130) in Verbindung steht, insbesondere im Bereich der Dehnungsverformung (134).
Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdichtfolie (130) ein Kunststoffmaterial umfasst, insbesondere eines oder mehrere der folgenden Materialien: ein Polyimid, insbesondere Kapton; ein Polyetheretherkoton; ein Fluorcarbon, insbesondere Polytetrafluorethy- len, insbesondere Teflon, und/oder ein Perfluorethylenpropylen-Copolymer; ein Polyethylennaphtalat; ein Flüssigkristallpolymer; ein Polyphenylensulfid.
Ultraschallwandler (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdichtfolie (130) eine Dicke von nicht mehr als 50 μηη aufweist, vorzugsweise von nicht mehr als 25 μηη.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (1 10) zum Einsatz in einem fluiden Medium (1 16), insbesondere eines Ultraschallwandlers (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Wandlerkern (1 18) mit mindestens einem akustisch-elektrischen Wandlerelement (1 12) in mindestens ein Gehäuse (120) eingebracht wird, wobei mindestens eine Gehäuseöffnung (122) gegenüber dem fluiden Medium (1 16) mit einer mit dem Wandlerkern (1 18) in Verbindung stehenden Abdichtfolie (130) zumindest teilweise abgedichtet wird, wobei die Abdichtfolie (130) derart ausgestaltet wird, dass diese mindestens eine Dehnungsverformung (134) aufweist, wobei die Dehnungsverformung (134) eingerichtet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Wandlerkern (1 18) und dem Gehäuse (120) zu ermöglichen.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen dem Wandlerkern (1 18) und dem Gehäuse (120) mindestens ein Zwischenraum (126) ausgebildet wird, wobei der Zwischenraum (126) zumindest teilweise mit mindestens einem Entkopplungselement (128) ausgefüllt wird, wobei das Entkopplungselement (128) eingerichtet ist, um eine Körperschallübertragung zwischen dem Gehäuse (120) und dem Wandlerkern (1 18) zu dämpfen, wobei die Dehnungsverformung (134) zumindest teilweise beim Einbringen des Entkopplungselements (128) in den Zwischenraum (126) ausgebildet wird.
1 1 . Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zum Einbringen des Entkopplungselements (128) mindestens eine verformbare Masse (162), vorzugsweise mindestens eine fließfähige Masse, in den Zwischenraum (126) eingegossen und/oder eingepresst und/oder eingespritzt wird.
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